Материал: Технологический расчет трубчатой печи

Радиационно-конвективная печь имеет две отделенные друг от друга секции: радиационную и конвективную. Большая часть используемого тепла передается в радиационной секции (обычно 60-80% всего использованного тепла), остальное - в конвективной секции.

Конвективная секция служит для использования физического тепла продуктов сгорания, выходящих из радиационной секции обычно с температурой 700-900°С, при экономически приемлемой температуре нагрева 350-500°С (соответственно температуре перегонки).

Величина конвективной секции, как правило, подбирается с таким расчетом, чтобы температура продуктов сгорания, выходящих в боров, была почти на 150°С выше, чем температура нагреваемых веществ при входе в печь. Поэтому тепловая нагрузка труб в конвективной секции меньше, чем в радиационной, что обусловлено низким коэффициентом теплоотдачи со стороны дымовых газов.

С внешней стороны иногда эти трубы снабжаются добавочной поверхностью - поперечными или продольными ребрами, шипами и т.п.

Почти все печи, эксплуатируемые в настоящее время на нефтеперерабатывающих заводах, являются радиационно-конвекционными. В печах такого типа трубные змеевики размещены и в конвекционной и в радиантной камерах.

По конструктивному оформлению трубчатые печи классифицируются:

по форме каркаса:

а. Коробчатые ширококамерные (рисунок 2а), узкокамерные

(рисунок 2б);

б. Цилиндрические (рисунок 2в);

в. Кольцевые;

г. Секционные;

по числу камер радиации:

а. Однокамерные;

б. Двухкамерные;

в. Многокамерные;

Рисунок 2 - Форма каркаса печи

а - коробчатой ширококамерной печи; б - коробчатой узкокамерной печи; в-цилиндрической печи

по числу камер радиации:

а. Однокамерные;

б. Двухкамерные;

в. Многокамерные;

по расположению трубного змеевика:

а. Горизонтальное (рисунок 3а);

б. Вертикальное (рисунок 3б);

Рисунок 3 - Расположение трубного змеевика

а - горизонтальное; б - вертикальное

по расположению горелок:

а. Боковое;

б. Подовое;

по топливной системе:

а. На жидком топливе (Ж);

б. На газообразном топливе (Г);

в. На жидком и газообразном топливе (Ж+Г);

по способу сжигания топлива:

а. Факельное;

б. Беспламенное сжигание;

по расположению дымовой трубы:

а. Вне трубчатой печи (рисунок 4а);

б. Над камерой конвекции (рисунок 4б);

по направлению движения дымовых газов:

а. С восходящим потоком газов;

б. С нисходящим потоком газов;

в. С горизонтальным потоком газов

Рисунок 4 - Расположение дымовой трубы

а - вне трубчатой печи; б - над камерой конвекции

2. Расчетная часть

2.1    Расчет процесса горения топлива

Целью этого этапа расчета является расчет низшей теплотворной способности топлива, количества и состава продуктов сгорания, теплосодержания продуктов сгорания.

Низшая теплотворная способность топлива определяется по уравнению Менделеева, кДж/кг:

, (1)

гдеW - содержание влаги в топливе, % масс.

кДж/кг

Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, кг/кг:

,            (2)

кг/кг.

Фактический расход воздуха, кг/кг:

,  (3)

кг/кг.

Количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива, кг/кг:

   ,        (4)

где W_ф - расход форсуночного пара, кг/кг,

кг/кг.

Количество газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива кг/кг:

;  (5)

кг/кг;

;    (6)

кг/кг;

;      (7)

кг/кг;

;  (8)

кг/кг;

;        (9)

кг/кг.

Проверка: .   (10)

кг/кг, G=18,6410

Проверка показала, что все произведенные расчеты верны.

Объемный расход воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива, м³/кг:

;          (11)

 м³/кг.

Расчет продуктов сгорания на 1 кг топлива при заданной температуре производится по формуле:

, (12)

где  - температура продуктов сгорания, К;

 - средние массовые теплоемкости продуктов сгорания,

 кДж/кг

Рассчитаем для температур 300, 500, 700, 900, 1100, 1300, 2100 К и составим таблицу 1.

Таблица 1

Выводы: В разделе был проведен расчет:

- низшей теплоты сгорания топлива:

состав продуктов сгорания;

фактическое количество воздуха необходимого для полного сгорания топлива: L=17,641 кг/кг.

количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива: G=18,641 кг/кг.

2.2    Тепловой баланс трубчатой печи. Расчет коэффициента полезного действия и расхода топлива

Целью данного этапа является расчет КПД, расхода топлива, теплопроизводительность трубчатой печи (полная тепловая нагрузка) значение, которой необходимо для выбора типоразмера печи.

Согласно закону сохранения энергии уравнения теплового баланса для трубчатой печи выглядит так:

,                                                         (13)

где  - статьи прихода и расхода тепла соответственно, кДж/кг.

Расчет теплового баланса ведется на 1 кг топлива.

Статьи расхода тепла:

,                                            (14)

где - соответственно полезно воспринятое в печи сырьем, теряемое с уходящими из печи дымовыми газами, теряемое в окружающую среду тепло, кДж/кг.

Статьи прихода тепла:

,   (15)

где - теплоемкости топлива, воздуха, форсуночного водяного пара соответственно, кДж/кг;

- температуры топлива, воздуха, форсуночного водяного пара соответственно,°С. Итак, уравнение теплового баланса запишется в следующем виде:        

 (16)

(17)

Откуда определяется коэффициент полезного действия трубчатой печи:

,    (18)

где  - соответственно потери тепла с уходящими дымовыми газами и потери тепла в окружающую среду в долях от низшей теплотворной способности топлива.

Потери тепла в окружающую среду составляют 5%.

Температура уходящих дымовых газов,°С:

,       (19)

где  - температура нагреваемого продукта на входе в печь,°С

 - разность температур теплоносителей на входе сырья в змеевик камеры конвекции,°С.

°С;

К.

При естественной тяге в печи не должна быть меньше 250°С.

Расчет продуктов сгорания на 1 кг топлива при заданной температуре производится по формуле:

,   (20)

где  - температура продуктов сгорания, К;

 - средние массовые теплоемкости продуктов сгорания,

Значения средних массовых теплоемкостей продуктов сгорания находятся методом интерполяции [1, стр. 7, таблица 2].

Расчет полезной тепловой нагрузки трубчатой печи:

,        (21)

где  - производительность печи по сырью, кг/ч;

, , - соответственно теплосодержание паровой и жидкой фазы при температуре, жидкой фазы (сырья) при температуре, кДж/кг;

- доля отгона сырья на выходе из змеевика трубчатой печи.

Теплосодержание паров нефтепродуктов определяется по уравнению:

,    (22)

где - температура, при которой определяется теплосодержание нагреваемого продукта,°С.

 кДж/кг.

Теплосодержание жидких нефтепродуктов определяется по уравнению:

;  (23)

кДж/кг;

;      (24)

 кДж/кг;

кДж/ч.

Определение полной тепловой нагрузки печи:

;   (25)

кДж/ч.

Часовой расход топлива рассчитывается по формуле:

; (26)

кг/ч.

Выводы: Были рассчитаны:

коэффициент полезного действия трубчатой печи ,

- полезная тепловая нагрузка печи =91744606,25кДж/ч,

часовой расход топлива В=2796,33 кг/ч необходимый для работы печи в заданном режиме, с учетом потерь тепла в окружающую среду через неплотности и с уходящими дымовыми газами.

Коэффициент полезного действия удовлетворяет пределу значений КПД для трубчатых печей (от 0,65 до 0,85).

Обычно температуру уходящих из печи дымовых газов рекомендуется принимать на 100-150°С выше температуры сырья, поступающего в конвекционную часть печи. В данной работе температура уходящих газов равна = 270°С.

Разность температуры сырья, поступающего в камеру конвекции намного больше температуры отходящих дымовых газов, это способствует более эффективной передаче тепла в камере конвекции и, следовательно, требуется меньшая поверхность конвекционных труб.

Результаты расчетов сведены в таблицу 2.

Таблица 2. Тепловой баланс трубчатой печи

2.3    Выбор типоразмера трубчатой печи и горелки

Целью данного этапа является подбор печи, удовлетворяющей исходным данным и рассчитанным ранее параметрам, изучение ее характеристик и конструкции.

Выбор типоразмера трубчатой печи осуществляется по каталогу [3] в зависимости от ее назначения, теплопроизводительности, вида топлива.

Так как из задания известно, что топливом является мазут, а в ходе расчетов стала известна теплопроизводительностьQ_т =26,81 Гкал/ч, то по каталогу выбираем печь типа СКГ1.

Печь - свободного вертикально-факельного сжигания комбинированного топлива, коробчатая, с горизонтальным расположением труб змеевика в одной камере радиации. Горелки типа ГГМ-5 или ГП расположены в один ряд в поду печи. На каждой боковой стороне камеры радиации установлены однорядные настенные трубные экраны, которые облучаются рядом вертикальных факелов. Трубный экран может быть однорядным и двухрядным стенным.

При изменении теплопроизводительности горелок практически не меняется характер эпюры подводимых тепловых потоков на трубный экран.

Так как в печи сжигается комбинированное топливо, на печи предусмотрен газосборник, через который газы сгорания отводятся в отдельно стоящую дымовую трубу.

Таблица 3 - Техническая характеристика печи типа СКГ1

В соответствии с сжигаемым топливом - мазут, подбираем по каталогу [5] горелку ГГМ-5 (ТУ 26-02-68-78).

Горелка ГГМ-5 предназначена для раздельного и совместного сжигания жидкого и газообразного топлива в трубчатых печах типов СКГ1, СКВ и СЦВ4 со свободным факелом при поступлении воздуха, необходимого для сгорания топлива, инжекцией активными газовыми и парожидкостными струями, а также за счет разрежения в топочном пространстве печи.

Газовая горелка расположена на внешней части корпуса горелки. Представляет собой систему, состоящую из газового кольцевого коллектора, на верхней дисковой части которого имеются 16 резьбовых отверстий для установки газовых сопл с паронитовыми прокладками. Соосно с соплами на расстоянии 60 мм от коллектора расположены 16 газовых инжекционных смесителей, соединенных сваркой с корпусом и наружной обечайкой. Газовая часть горелки имеет автономный регулятор воздуха.

Таблица 4 - Техническая характеристика горелки ГГМ-5

Числогорелок, шт.:

n= шт. (27)

Вывод: был подобрана печь СКГ1по рассчитанной полной тепловой нагрузки печи, к печи была подобрана горелка ГГМ-5, рассчитали число горелок равной 9 шт.

.4      Упрощенный расчет камеры радиации

Упрощенный расчет камеры радиации заключается в определении температуры продуктов сгорания, покидающих топку, и фактической теплонапряженности поверхности радиантных труб.

Трубчатая печь имеет камеры радиации и конвекции. В камере радиации (топочная камера), где сжигается топливо, размещена радиантная поверхность (экран), поглощающая тепло в основном за счет радиации.

В камере конвекции расположены трубы, воспринимающие тепло главным образом путем конвекции - при соприкосновении дымовых газов с поверхностью нагрева.

Сырье последовательно проходит через конвекционные и радиантные трубы и поглощает тепло; обычно радиантная поверхность воспринимает большую часть тепла, выделяемого при сгорании топлива.

Температуру продуктов сгорания находят методом итераций, используя уравнение:

, (28)

где    - теплонапряженность поверхности радиантных труб (фактическая) и приходящаяся на долю свободной конвекции, кДж/м²ч;

H_р - поверхность нагрева радиантных труб, м²;

 - отношение поверхностей, зависящее от типа печи, от вида и способасжигания топлива, [1, табл. XXI.3, с. 469];

- средняя температура наружной стенки радиантных труб, К;

- коэффициент для топок с настильным факелом  [2, с. 42];

 - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела,, [2, с. 42].

Суть расчета методом итераций заключается в том, что мы задаемся температурой продуктов сгорания Т_п(зад.), которая находится в пределах 1000¸1200 К, и при этой температуре определяем все параметры, входящие в уравнение для расчета Т_п. Далее по этому уравнению вычисляется Т_{п(расч.)} и сравнивается полученное значение с ранее принятым. Если они не совпадают, то расчет возобновляется с принятием Т_п, равной рассчитанной в предыдущей итерации. Расчет продолжается до тех пор, пока заданное и рассчитанное значения Т_п не совпадут с достаточной точностью.

Для первой итерации принимаем Т_п(зад.) = 1000 К.

Таблица 5 - Зависимость средней массовой теплоемкости газов при постоянном давлении с_Р [кДж/кг∙К] от абсолютной температуры Т_п(зад.)=1000К

Определение максимальной температуры продуктов сгорания:

,                       (29)

где Т_о - приведенная температура, Т_о=313 К, [2 с. 43];

η_т - КПД топки, η_т =0,96, [2 с. 42];

m_i, с_i - количества газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива и теплоемкости продуктов сгорания, определяющиеся в программе на каждой итерации при Т_п;

Таблица 6 - Зависимость средней массовой теплоемкости газов при постоянном давлении с_Р [кДж/кг∙К] от абсолютной максимальной температуры Т_max=2158,636К

Коэффициент прямой отдачи рассчитывается по формуле:

,                                                                        (30)

где q_max, q_Tп, q_ух - теплосодержание продуктов сгорания соответственно при температурах T_max, T_п(зад.), Т_ух, рассчитывается по формуле 17;

Определение теплосодержания продуктов сгорания (q_Tп, q_max, q_ух) при всех температурах (Т_п(зад.), Т_max, Т_ух) по формуле 17:

q_Tп = (1000 - 273) ∙ (3,22696 ∙ 1,06825 + 0,9 ∙ 2,0514 + 0,944 ∙ 1,0071 + 13,548 ∙ 1,0792 + 0,02 ∙ 0,7534) = 15179,929 кДж/кг;

q_max= (2158,636 - 273) ∙ (3,22696 ∙ 1,23302+ 0,9 ∙ 2,2407+ 0,944 ∙ 1,09868+ 13,548 ∙ 1,1797 + 0,02 ∙ 0,8696) =43770,633 кДж/кг;

q_ух = 5326,044кДж/кг (рассчитано ранее).

Расчет коэффициента прямой отдачи:

.

Фактическая теплонапряженность поверхности радиантных труб:

ккал/м²×ч.               (31)

Температура наружной стенки экрана вычисляется по формуле:

, (32)

где a₂ = 600¸1000 ккал/м²×ч×К - коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемому продукту; принимаем a₂ = 800 ккал/м²×ч×К;

d - толщина стенки трубы, d = 0,008 м (2, табл. 5);

l = 30 ккал/м×ч×К - коэффициент теплопроводности стенки трубы;

d_зол. /l _зол. - отношение толщины к коэффициенту теплопроводности зольных отложений; для жидких топлив d_зол. /l _зол. = 0,002 м²×ч×К/ккал (2, с. 43);

⁰С - средняя температура нагреваемого продукта;

К.

Теплонапряженность поверхности радиантных труб, приходящаяся на долю свободной конвекции:

,                               (33)

ккал/м²×ч.

Итак, температура продуктов сгорания, покидающих топку:

К.

Как видим, рассчитанная температура Т_{п(расч.)} не совпадает со значением, принятым в начале расчета, следовательно расчет повторяем, принимая Т_п(зад.) = Т_{п(расч.)}=  К.

Результаты расчетов представлены в таблице 6.

Таблица 7 - Итерационный расчет температуры продуктов сгорания

№ итерации           Т_п(зад.), К Т_mах, К   q_max, q_Tп,

m,

q,

К,

Т_{п(расч.)},

Рассчитываем количество тепла, переданное продукту в камерах радиации:

,                              (34)

кДж/ч.

Принципиальная схема расположения труб в камере радиации представлена на рисунке 6.

Выводы:

) рассчитали температуру продуктов сгорания, покидающих топку, при помощи метода последовательного приближения; ее значение Т_п = 1070 К;

) фактическая теплонапряженность поверхности радиантных труб при этом составила q_р = 24318,462 ккал/м²×ч, не превышает величину допустимой теплонапряженности поверхности радиантных труб 35000 ккал/м²·ч.

.5 Расчет диаметра печных труб

Объемный расход нагреваемого продукта рассчитывается по формуле:

,                                                                        (35)

где G_с - производительность печи по сырью, т/сут.;

r_t - плотность продукта при средней температуре, кг/м³.

,                                                   (36)

где a - температурная поправка.

;

 кг/м³.

Подставляя, получим:

м³/с.

Площадь поперечного сечения трубы определяется уравнением:

,                                                                          (37)

где n - число потоков, принимаемn= 2, поскольку в данном типе печи 2 камеры радиации;

W - допустимая линейная скорость продукта, примем W = 2 м/с [2, с. 19];

d_вн - расчетный внутренний диаметр трубы, м.

Из этого уравнения находим:

                                                                   (38)

м.

Из стандартных значений [2, табл. 5] выбираем диаметр трубыd_н= 0,152 м, толщину стенки труб принимаем равной δ= 0,008 м;

d_вн= d_н - 2*δ,

d_вн = 0,152 - 2*0,008 = 0,136 м.

Определяем фактическую линейную скорость нагреваемого продукта:

                                                                              (39)

Таблица 8 - Труба и фитинг, применяемые для трубчатой печи

Выводы: на данном этапе расчета вычислили диаметр печных труб, по нему выбрали стандартный диаметр d_н= 0,152 м, толщину и шаг труб, и, исходя из стандартного диаметра, рассчитали фактическую линейную скорость нагреваемого продуктаW = 1,7218 м/с.

.6 Расчет камеры конвекции

Целью данного этапа является, расчет поверхности конвекционных труб и проведение анализа эффективности работы камеры конвекции.

Поверхность (расчетная) конвекционных труб определяется по уравнению:

,                                                                                 (40)

где Q_к - количество тепла, воспринятое конвекционными трубами;

K - коэффициент теплопередачи от дымовых газов к нагреваемому продукту, Вт/(м²*К);

Dt_ср - средняя разность температур, К.

                                                                              (41)

кДж/ч.

Средняя разность температур определяется по формуле:

,                                                                          (42)

где ,  - соответственно большая и меньшая разности температур;

t_к - температура продукта на выходе из камеры конвекции, которая находится путем решения квадратичного уравнения вида:

,                                                                        (43)

где а = 0,000405; b = 0,403; с - соответственно коэффициенты уравнения.

Коэффициент с вычисляется следующим образом:

, (44)

где - теплосодержание продукта при температуре t_к:

                                                                         (45)

кДж/кг;

.

Решению квадратичного уравнения удовлетворяет только значение одного корня, так как второй корень, принимающий отрицательное значение, не имеет физического смысла:

⁰С.

Находим большую, меньшую и среднюю разности температур:

Δt_δ = (T_п - 273) - t_к1 = (1070 - 273) - 232,254= 564,746⁰С;

Δt_м = t_ух - t₁ = 270 - 140 = 130 ⁰С;

⁰С.

Коэффициент теплопередачи в камере конвекции определяется уравнением:

,                                                               (46)

где a₁, a_к, a_р - соответственно коэффициенты теплоотдачи от газов к стенке, конвекцией, излучением трехатомных газов.

a_р определяют по эмпирическому уравнению Нельсона:

,                                                           (47)

где t_ср.г.к. - средняя температура дымовых газов в камере конвекции:

                                                                           (48)

К;

Вт/м²×град.

a_к определяется следующим образом:

,                                                                    (49)

где Е - коэффициент, зависящий от свойств топочных газов, значение которого определяем методом линейной интерполяции, используя табличные данные зависимости его от t_ср.г.к.; принимаем Е = 21,4262 [2, табл. 4];

d - наружный диаметр труб: d=0,152 м;

U - массовая скорость движения газов, определяемая по формуле:

,                                                                                    (50)

где В-часовой расход топлива, кг/ч;

G - количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива, кг/кг;

f - свободное сечение прохода дымовых газов в камере конвекции:

,                                                     (51)

где n = 4 - число труб в одном горизонтальном ряду;

S₁ - расстояние между осями этих труб, обычно лежит в пределах 1,7-2d_нар, для рассчитанного диаметра труб d_нар=0,152 м изготавливаются крутоизогнутые фитинги с шагом между осями труб 0,275 м [5, c. 314], принимаем S₁ = 0,275 м;

l_р - рабочая длина конвекционных труб; l_р = 15,5 м;

а - характерный размер для камеры конвекции:

м.                                                              (52)

 м².

Рассчитываем массовую скорость движения газов:

кг/м²×с.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией:

Вт/м²×град.

Коэффициент теплопередачи от дымовых газов к нагреваемому продукту:

Вт/м²×град.

Таким образом, поверхность (расчетная) конвекционных труб (53):

Определяем число труб в камере конвекции:

шт.                     (54)

Округляем число труб до целого значения кратного n (числу труб в одном горизонтальном ряду), N_к = 108 шт. С учетом округления N_кфактическая поверхность конвекционных труб рассчитывается:

м².

Число труб по вертикали:

шт.                                                                       (55)

Высота пучка труб в камере конвекции определяется по формуле:

,                                                                              (56)

где S₂ - расстояние между горизонтальными рядами труб:

 м,                                        (57)

 м.

Рассчитаем среднюю теплонапряженность конвекционных труб:

Вт/м².                   (58)

Принципиальная схема расположения труб в камере конвекции представлена на рисунке 7.

Выводы:

) рассчитали поверхность нагрева конвекционных труб, получив следующий результат: Н_к = 774,078 м²;

) определили значение средней теплонапряженности конвекционных труб, оно составило Q_нк = 11092,145 Вт/м², что ниже допустимого значения (13956 Вт/м²).

.7 Гидравлический расчет змеевика трубчатой печи

Целью данного этапа является, расчет общего гидравлического сопротивления змеевика печи или давления на входе в змеевике.

Давление сырья на входе в печь складывается из следующих составляющих:

,                                                           (59)

где Р_к, DР_и, DР_н, DР_к, DР_ст. - соответственно давление сырья на выходе из змеевика печи; потери напора: на участке испарения, на участке нагрева радиантных труб, в конвекционных трубах; статический напор.

Значение Р_к известно из исходных данных:

Р_к = 2,2 ата = 2,2×101325 Па = 0,222915 МПа.

Остальные слагаемые необходимо рассчитать. Расчет начинается с определения потерь напора на участке испарения:

,                                                                                 (60)

где Р_н - давление в начале участка испарения, которое, в свою очередь, рассчитывается методом последовательного приближения (метод итераций), используя уравнение Бакланова:

,                                          (61)

где А и В-расчетные коэффициенты:

,                                                                      (62)

,                                                                       (63)

где l - коэффициент гидравлического сопротивления (для атмосферных печей l = 0,02¸0,024 [2, с. 56]), принимаем l= 0,02;

L₁ - секундный расход сырья по одному потоку, кг/с;

- плотность сырья при средней температуре на участке испарения t_ср.и.;

d_вн - внутренний диаметр труб, м;

е - доля отгона сырья на выходе из змеевика;

r_п - средняя плотность паров при давлении 9,1 Па (при нагреве нефти 1/r_п = 3500).

кг/с;

Рассчитаем длину участка испарения:

,                                                                    (64)

где , ,  - соответственно теплосодержание парожидкостной смеси на выходе из змеевика, сырья на выходе из камеры конвекции, сырья при температуре начала испарения t_н.

,                                                   (65)

 кДж/кг.              

Рассчитаем эквивалентную длину радиантных труб:

,                                                                 (66)

где l_р= 15,5 м - рабочая длина одной трубы;

l_э - эквивалентная длина печного двойника (ретурбента), зависящая от наружного диаметра трубы d:м;

n_р - число радиантных труб, приходящихся на один поток:

,                                                                                   (67)

где n = 2 - число потоков;

N_р - общее число радиантных труб:

шт.;                      (68)

шт.;                                                                         

м.

Начинаем расчет давления в начале участка испарения Р_н методом итераций.

Предварительно задаемся значением Р_н, принимаем Р_н = 10,5 ата = 1,05 МПа, и по зависимости Р_н = f(t_н) [2, с. 8] находим температуру начала испарения продукта t_н, соответствующую этому давлению: t_н = 280 ⁰С.

Теплосодержание сырья при температуре начала испарения:

,                              (69)

кДж/кг.

Длина участка испарения:

м.

Средняя температура продукта на участке испарения:

⁰С.                               (70)

Его плотность при этой температуре:

кг/м³.                       

Расчетные коэффициенты:

;

Давление в начале участка испарения:

Так как рассчитанное Р_н не совпадает со значением, принятым ранее, то расчет необходимо повторить, задавшись Р_н(зад.) = Па. И так до тех пор, пока не будет достигнута необходимая точность.

Результаты дальнейших расчетов представим в виде таблицы.

Таблица 9- Итерационный расчет давления в начале участка испарения

Теперь можем рассчитать потери напора на участке испарения:

МПа.                          (71)

Далее рассчитываем потери напора на участке нагрева радиантных труб:

,                                                                (72)

гдеl₂ - коэффициент гидравлического сопротивления для участка нагрева; принимаем l₂ = 0,035 [1, с. 483];

l_н - эквивалентная длина участка нагрева радиантных труб по одному потоку:

м;                          (73)

r_ж.н. - плотность продукта при средней температуре (t_ср.н.) на участке нагрева радиантных труб:

⁰С;              (74)

кг/м³.

U - массовая скорость продукта в радиантных и в конвекционных трубах (в случае одинакового размера труб) на один поток:

кг/м²×с.                           (75)

Рассчитываем потери напора в конвекционных трубах для одного потока:

,                                                           (76)

где U_к - массовая скорость продукта в конвекционных трубах:

U_к = U =  кг/м²×с;

r_ж.к. - плотность продукта при средней температуре в конвекционных трубах:

⁰С;                                 (71)

кг/м³;

l_к - эквивалентная длина конвекционных труб:

,                                                         (77)

где n_к - число конвекционных труб в одном потоке:

шт.;                                                              (78)

м;

МПа.

Статический напор в змеевике печи рассчитывается по формуле:

,                                                              (79)

где h_т - высота камеры радиации:

;                                               (80)

м;

h_к - высота камеры конвекции (рассчитана ранее): h_к = 6,9078 м;

r_ж - плотность продукта при средней температуре:

⁰С;

кг/м³;

МПа.

Подставляя полученные данные, определяем давление сырья на входе в печь:

МПа.

Принципиальная схема змеевика трубчатой печи представлена на рисунке 8.

Выводы:

) на данном этапе рассчитали давление сырья на входе в змеевик печи путем прибавления к давлению на выходе потерь напора, определяемых отдельно для каждого из трех участков змеевика (конвекционные трубы, участок нагрева и участок испарения радиантных труб), а также статического напора;

) по результатам расчетов значение его составляет Р₀ = 1,532227 Па и значительно превышает давление на выходе из змеевика, что объясняется в основном большими потерями напора на участке испарения радиантных труб.

.8 Упрощенный аэродинамический расчет дымовой трубы

Цель расчета: определение стандартного диаметра и высоты дымовой трубы.

Общее сопротивление всего газового тракта определяется выражением:

,                                             (81)

где    DР_р, DР_к - соответственно разряжение в топочной камере и потери напора в камере конвекции; принимаем DР_р = 30 Па [1, с. 487], DР_к = 60 Па [1, с. 488];

DР_м.с. - потери напора в газоходе на преодоление местных сопротивлений;

DР_тр. - потери напора на трение в дымовой трубе.

,                                                 (82)

где    - сумма коэффициентов местных сопротивлений; принимаем = 4,06 [2, с. 23];

W - линейная скорость продуктов сгорания; принимаем W = 8 м/с [1, с. 488];

- плотность продуктов сгорания при температуре Т_ух..

Плотность продуктов сгорания при нормальных условиях:

,                                                                                       (83)

где - сумма масс продуктов сгорания на 1 кг топлива;

 - объемное количество продуктов сгорания на 1 кг топлива:

,                            (84)

где m_i, M_i - соответственные массы и молекулярные массы газовых компонентов в продуктах сгорания.

 м³/кг;

кг/ м³.

Плотность продуктов сгорания при температуре Т_ух. = 543 К:

кг/ м³.                             (85)

Итак, потери напора в газоходе на преодоление местных сопротивлений:

Па.

Потери напора на трение в дымовой трубе определяются по формуле:

,                                                                    (86)

где  - соответственно потери напора при входе в трубу и выходе из нее, потери напора на трение при движении газов в дымовой трубе.

,                                                     (87)

где x_вх., x_вых. - коэффициенты местных сопротивлений при входе в трубу и выходе из нее; принимаем (x_вх. + x_вых.) = 1,3 [2, с. 24];

r_ср.т. - плотность газов в трубе при средней температуре Т_ср.т.:

,                                                                        (88)

где Т_вых. - температура продуктов сгорания на выходе из дымовой трубы:

К;

К;

кг/ м³;

Па.

Потери напора на трение при движении газов в дымовой трубе:

,                                                          (89)

где l₃, h, D - соответственно коэффициент гидравлического сопротивления в дымовой трубе, высота и диаметр дымовой трубы.

,                                                                              (90)

где n_Т - число дымовых труб; принимаем n_Т = 1;

V - объемный расход продуктов сгорания при температуре Т_ух.:

м³/с;                         (91)

м.

Выбираем стандартный диаметр дымовой трубы: D = 2,0 м [2, табл. 6].

Коэффициент гидравлического сопротивления в дымовой трубеl₃ определяется по формуле Якимова:

.                                                            (92)

Высота дымовой трубы рассчитывается методом последовательного приближения по уравнению:

,                                                                 (93)

где r_в, Т_в - плотность и температура окружающего воздуха; принимаем

r_в = 1,293 кг/м³, Т_в = 303 К.

Предварительно принимаем высоту трубы h_зад.= 40 м.

При этом потери напора на трение при движении газов в дымовой трубе:

Па.

Общие потери напора на трение в дымовой трубе:

Па.

Общее сопротивление всего газового тракта:

Па.

Расчетная высота дымовой трубы:

м.

Расчетная высота не совпадает с принятой ранее, следовательно, делаем пересчет, принимая высоту h_зад. = h_расч.= 43,8607 м.

Результаты последующих расчетов представим в виде таблицы.

Таблица 10 - Итерационный расчет высоты дымовой трубы

Схема дымовой трубы, поясняющая аэродинамический расчет, представлена на рисунке 9.

Выводы: диаметр дымовой трубы, округленный до стандартного, составил D = 2,0 м; высота трубы, рассчитанная методом последовательного приближения, имеет значение h = 44,0392 м.

Заключение

В данном курсовом проекте был произведен технологический расчет и спроектирована трубчатая печь для нагрева и частичного испарения нефти.

Расчет состоял из семи этапов, на каждом из которых были получены данные, необходимые для того, чтобы спроектировать нашу трубчатую печь. Так, результатом расчетов первого этапа (расчет процесса горения топлива и расчет к.п.д. печи и расхода топлива) стала полезная тепловая нагрузка, значение которой Q_пол=91744606,25 кДж/ч. По этому значению в следующем этапе был подобран типоразмер печи, была выбрана печь типа СКГ1 с поверхностью нагрева радиантных труб 615 м², рабочей длиной 15,5 м. Выбрали горелки типа ГГМ-5. Далее, в этапе расчета камеры радиации, нашли фактическое теплонапряжение радиантных труб q_р = 24318,462 ккал/м²×ч, которое не превышает допустимое значение 35000 ккал/м²×ч, т.е. проектируемая печь работает с недогрузкой. В четвертом этапе рассчитали диаметр печных труб, округлили до стандартного значения и определили соответствующие ему толщину стенки и шаг между осями труб. Расчет камеры конвекции, кроме всего прочего, дал нам ее высоту h_к = 6,1932 м. Высота камеры радиации (топки) h_т = 11,9125 м была определена в следующем этапе (гидравлический расчет змеевика). В последнем этапе был проведен аэродинамический расчет дымовой трубы, получены ее размеры: диаметр, округленный до стандартного, D = 1,873 м и высота h = 43,8607 м. Основные полученные данные в результате проектирования трубчатой печи занесены в таблицу 11.

Таблица 11 - Значения основных параметров расчета

Список использованной литературы

1.      Скобло А.И., Трегубова И.А., Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. - М.: Химия, 1982. -584 с.

.        Зиганшин Г.К. Технологический расчет трубчатой печи на ЭВМ. Методическое пособие клабораторным и практическим занятием, курсовому и дипломному проектированию. - Уфа.УГНТУ, 1997.-с. 68

.        Трубчатые печи: Каталог/ Составители В.Е. Бакшалов, В.Ф. Дребенцов, Т.Г. Калинина, Н.И. Сметанкина, Е.И. Ширман. - М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1985. - 34 с.

.        Горелки для трубчатых печей: Каталог. Изд. 4-ое. - М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1985. - 36 с.

. Справочник нефтепереработчика: Справочник / Под ред. Г.А. Ластовкина, В.Д. Радченко, М.Г. Рудина. - Л.: Химия, 1986. - 648 с.

. Самойлов Н.А. Основы применения ЭВМ в химической технологии - Уфа: УНИ, 1988.

. Комиссаров Ю.А., Гордеев Л.С. Основы конструирования и проектирования промышленных аппаратов. - М.: Химия, 1997.

. Кузнецов А.А. и др. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. - М.: Химия, 1974.

. Элементы расчета теплообменной аппаратуры: Методическое руководство / Составитель Г.К. Зиганшин. - Уфа.: Изд. Уфим. нефт. ин-та, 1987. - 49 с.

. Сарданашвили А.Г., Львова А.И. Примеры и задачи по технологии переработки нефти игаза. - М.: Химия, 1973. - 272 с.